[教育]運算放大器及運算放大器的選擇應(yīng)用

1、1,集成運算放大器理論及其應(yīng)用,,2,,信號的一般處理框架運放的基本理論運放的參數(shù)理想運放及其分析方法運放的應(yīng)用電路運算放大器的選擇運放的穩(wěn)定工作,3,信號的一般處理流程,4,運算放大器簡介,運算放大器的內(nèi)部框圖：,5,運算放大器簡介,輸入級：采用差動放大電路，決定整個運放的輸入阻抗、共模抑制比、零點漂移、信噪比及頻率響應(yīng)等；中間級：采用放大電路，主要作用是提高運放的電壓增益輸出級：采用射極輸出器電路，決定運放的輸出阻抗

2、和輸出功率；偏置電路：采用不同形式的電流源電路，為各級提供小而穩(wěn)定的偏置電流。,6,運算放大器的分類,按用途分類：a.通用型運放:一般的，大規(guī)模使用，價格便宜。 通用型運放又分為低增益、中增益和高增益三類，也可稱為通用Ⅰ型、通用Ⅱ型和通用Ⅲ型集成運放。,7,運算放大器的分類,b.專用型運放，也成特殊型運放：某一方面性能參數(shù)優(yōu)良。 專用型運放又分為低功耗型、高輸入阻抗型、高速型（SR高）、高壓型、電

3、流型、大功率型、跨導(dǎo)型及程控型等。,8,運算放大器的分類,按集成個數(shù)分：單運放、雙運放及四運放。,9,實際運放的參數(shù)---直流參數(shù)、交流參數(shù),直流指標：輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電壓溫漂）、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流的溫度漂移（簡稱輸入失調(diào)電流溫漂）、差模開環(huán)直流電壓增益、共模抑制比、電源電壓抑制比、輸出峰-峰值電壓、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓。 交流指標：開環(huán)帶寬、單位增益帶寬、轉(zhuǎn)

4、換速率SR、全功率帶寬、建立時間、等效輸入噪聲電壓、差模輸入阻抗、共模輸入阻抗、輸出阻抗。,10,實際運放的參數(shù),1.輸入失調(diào)電壓（VIO）：輸入失調(diào)電壓，簡稱VIO，其定義是為使運算放大器輸出端為0V(或接近0V)所需加于兩輸入端間之補償電壓。理想之運算放大器其VIO為0V，一般為毫伏級，此參數(shù)越小越好。反應(yīng)了運放制造中電路的對稱情況。2.輸入偏置電流（IIB）：偏置電流 （bias current） 就是第一級放大器輸入晶體管的基

5、極直流電流的平均值。此參數(shù)越小越好。,11,實際運放的參數(shù),3.輸入失調(diào)電流（IIO）：輸入失調(diào)電流（input offset current）兩輸入端輸入偏置電流之差的絕對值。該值也是越小越好。4.差模輸入電阻（RIN）：輸入電阻（input resistance ）兩輸入端間差動輸入電阻。該值是越大越好。5.差模電壓增益（AVD）：也稱為差動電壓增益，是指輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量的比值,即電壓放大倍數(shù)

6、。理想放大器的AV無限大，實際運放一般大于80dB。,12,實際運放的參數(shù),6.共模電壓增益（AVC）：兩輸入端輸入差模電壓，輸出電壓的變化量與輸入電壓變化量之比。7.最大輸出電壓（VOM）：對于實際運算放大器，若振幅變大，則輸出信號接近正、負電源電壓進入飽和狀態(tài)，出現(xiàn)失真。在出現(xiàn)失真之前的最大電壓稱為最大輸出電壓。8.共模輸入電壓范圍（VICM）：這表示運算放大器兩輸入端與地之間能加的共模電壓的范圍。,13,實際運放的參數(shù),9.共

7、模抑制比（KCMR）：差模電壓增益AVD與共模電壓增益AVC之比稱為共模抑制比。可以表示為KCMR=20lg（AVD/AVC）dB。此值越大越好，但是會隨著信號的頻率升高而下降，一般都大于80dB。10.電源電壓抑制比（KSVR）：運放的失調(diào)電壓隨電源的變化率稱為電源電壓抑制比。即輸出信號受電源電壓的影響程度。若電源變化△VS時失調(diào)電壓變化量為△VIo，則KSVR定義為：KSVR=20lg（△VS/△VIo）dB。此值越大越好，較小時

8、輸出中出現(xiàn)電源噪聲。,14,實際運放的參數(shù),11.消耗電流（ICC）：這是運算放大器電源端流通用的電流，隨外加電路與電源電壓的不同而變化。消耗電流越小越好，較大時放大器發(fā)熱增加引起輸出直流漂移增大。12.轉(zhuǎn)換速率（SR）：若輸入信號變化塊，則輸出跟不上輸入的變化速度。SR是表示這種跟蹤性能的參數(shù)。該值越大越好，但是該值高的運算放大器其他性能較差。13.增益帶寬乘積（GB）：表示電壓增益—頻率特性的參數(shù)，單位為MHZ。（單位增益帶寬）

9、。,15,實際運放的參數(shù),16,還應(yīng)當注意的一些參數(shù),最高電源電壓、功耗、工作溫度、引線溫度、輸出電阻、建立時間等。,17,理想運算放大器---理論分析,理想運算放大器的主要特點: (1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)A為無限大。（線性區(qū)虛短）(2)輸入電阻Ri為無限大。（虛斷）(3)輸出電阻Ro為零。,18,理想運放的分析方法,線性區(qū)---工作在閉環(huán)負反饋狀態(tài) 虛短 虛斷飽和區(qū)----工作在開環(huán)、正反饋狀態(tài) 虛斷

10、比較輸出：,19,反饋,反饋：把輸出信號的一部分或全部以一定的方式送回輸入電路中，以增強或減弱輸入信號的效應(yīng)。理想運放的放大倍數(shù)為無窮大，實際運放的放大倍數(shù)也很大，利用負反饋可以控制放大器的放大倍數(shù)，提高增益精度，避免放大倍數(shù)過大造成失真。同時引入負反饋還可以降低噪聲、失真、輸出阻抗，增大輸入阻抗。,20,運算放大器的基本應(yīng)用電路,放大電路有源濾波器微積分電路電壓跟隨器電壓—電流轉(zhuǎn)換電路加減運算電路比較器電路其

11、他電路,21,由運算放大器組成的一些基本電路,22,電路中電阻的選擇,阻值小的電阻可以通過較大的電流，具有良好的頻率特性以及可以驅(qū)動放大器；但是阻值過小會增大電路的功率，減小輸出動態(tài)范圍 。 大阻值電阻會帶來更多的噪聲以及干擾漂移電流。選擇時應(yīng)折中選擇（1K~1000K）。,23,放大電路---比例放大,放大電路的種類很多，主要分為反相放大電路和同相放大電路。①反相放大電路：信號由“-”端輸入，放大后的信號相位與放大前

12、相差180度。,24,放大電路,使用上述電路做放大器電路時，如果放大倍數(shù)很大，則R1的值非常大。有時實裝與得到這種電阻都很困難，這時可以采用T型反饋電路，可有效降低R1的阻值。,T型反饋電路,25,運算放大器組成的放大電路,②同相放大電路：信號由“+”端輸入，輸出信號與輸入信號相位相同。,同相放大電路,26,同相放大電路與反相放大電路的區(qū)別,同相放大器：輸入阻抗很大，但輸入共模電壓也大，共模抑制比CMRR引起的誤差在高頻時不可忽略。

13、 反相放大器：輸入阻抗由輸入端的外界電阻決定，共模電壓小，可以減小共模抑制比CMRR引起的誤差。,27,積分電路,積分運算電路 ：與反相放大電路相比，用電容C代替電阻Rf作為負反饋元件就成為積分運算電路。容易得出，Uo = －1/(RC)×∫Ui dt， 其中RC為積分時間常數(shù)。,28,微分電路,將積分運算電路中的反相端輸入電阻和反饋電容互相交換位置后即為微分運算電路。微分電路對高頻干擾敏感。,29,微積分電路的應(yīng)用,微

14、分電路：微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波。1.提取脈沖前沿（反應(yīng)突變） 2.高通濾波 3.改變相角（加） 積分電路：積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。1.延遲、定時、時鐘 2.低通濾波 3.改變相角（減）,30,有源濾波器,有源濾波器的原理：有源濾波器利用運算放大器和電阻代替電感，從而實現(xiàn)濾波效果。運算放大器在這里的作用是不斷給電路補充電阻消耗的能量。有源濾波器的優(yōu)點和

15、缺點：優(yōu)點：不用電感元件、有一定增益、重量輕、體積小和調(diào)試方便，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等方面。缺點：但因受運算放大器的頻帶限制，這類濾波器只能工作在低頻。,31,有源濾波電路的分類,有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無源元件而構(gòu)成的。主要分為： 低通濾波器（LPF） 高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（B

16、EF） 全通濾波器（APF）,32,濾波器的主要技術(shù)指標和設(shè)計方法,中心頻率（Center Frequency）：濾波器通帶的中心頻率f0，一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2為帶通或帶阻濾波器左、右相對下降1dB或3dB邊頻點。截止頻率（Cutoff Frequency）：指低通濾波器的通帶右邊頻點及高通濾波器的通帶左邊頻點。通常以1dB或3dB相對損耗點來標準定義。通帶帶寬：指可以通過的信號的頻譜寬度。,

17、33,一階低通濾波器,34,典型二階有源低通濾波器如右下圖所示，為防止自激和抑制尖峰脈沖，在負反饋回路可增加電容 C3，C3的容量一般為22pF－51pF。該濾波器每節(jié)RC電路衰減－20dB／10倍頻程，每級濾波器－40dB／10倍頻程。,二階有源LPF的設(shè)計,35,,,,通帶增益：,固有角頻率：,品質(zhì)因數(shù)：,傳遞函數(shù)的關(guān)系式為：,36,設(shè)計方法：性能參數(shù)可以由R、C值和運放增益Auf的變化來單獨調(diào)整，設(shè)Avf=1，R1=R2，則Ra

18、= ，,,,,,（n為階數(shù)）,37,電壓跟隨器,定義：電壓跟隨器，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)接近1。特點：輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 。,38,作用：在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相

19、當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。,39,電壓/電流轉(zhuǎn)換電路,電壓—電流轉(zhuǎn)換電路：  電壓/電流轉(zhuǎn)換即V/I轉(zhuǎn)換，是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號，轉(zhuǎn)換后的電流相當一個輸出可調(diào)的恒流源，其輸出電流應(yīng)能夠保持穩(wěn)定而不會隨負載的變化而變化。 應(yīng)用：長距離傳送模擬電壓信號時，因信號源內(nèi)阻及電纜電阻產(chǎn)生壓降，受信端輸入阻抗越低相對壓降越大，誤差也越大。若

20、要高精度傳送電壓信號，必須把電壓信號先變?yōu)殡娏餍盘?，即進行電流傳送.。,40,如圖所示為實用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。A1構(gòu)成同相求和運算電路，A2構(gòu)成電壓跟隨器。圖中R1=R2=R3=R4=R。可得到：Io=UI/Ro,41,將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號。應(yīng)用：在工業(yè)控制中各類傳感器常輸出標準電流信號4~20mA，為此，常要先將其轉(zhuǎn)換成±10V；的電壓信號，以便送給各類設(shè)備進行處理。如圖所示為電流-

21、電壓轉(zhuǎn)換電路。在理想運放條件下，輸入電阻Ri=0，因而iF=iS，故輸出電壓 Uo=-Is·RfRs比Ri大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。,電流/電壓轉(zhuǎn)換電路,42,全加器,43,比較器電路,電壓比較器是對兩個模擬電壓比較其大小，并判斷出其中哪一個電壓高。,44,輸出只有兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)：,高電平輸出 ；,低電平輸出 。,單限比較器,,參考電平,,,45,比較器電路,遲滯比較器：若電路加上正

22、反饋則電路具有遲滯特性，也稱為施密特觸發(fā)器。,46,一、波形變換施密特觸發(fā)器可用以將模擬信號波形轉(zhuǎn)換成矩形波,正弦波信號同相轉(zhuǎn)換成矩形波的例子,輸出脈沖寬度可通過回差電壓加以調(diào)節(jié)。,比較器電路,47,二、用于脈沖的整形利用施密特電路可以將失真的數(shù)字信號還原，消除電路帶來的失真。,48,三、幅度鑒別　施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)取決于輸入信號是否高于V+或低于V-，利用此特性可以構(gòu)成幅度鑒別器，用以從一串脈沖中檢出符合幅度要求的脈

23、沖。,49,PWM調(diào)制電路：,占空比D=Vin（max）/Vref,Vref,50,信號發(fā)生器,正弦波信號發(fā)生器,振蕩頻率,51,信號發(fā)生器,方波發(fā)生器,52,運算放大器的選擇,1.通用運算放大器：能適用大多數(shù)場合，但是滿足不了一些特殊場合的要求。2.緩沖放大器：要求有非常高的輸入阻抗和非常低的輸出阻抗。3差?；虿罘址糯笃鳎翰钅７糯箅娐酚型獠侩娮韬碗娙?，所以它們的輸入阻抗不高。但是能有效地抑制共模噪聲。當信號電路的輸出電阻與差模電

24、路的輸入電阻相當時差模放大電路不再適用。,53,運算放大器的選擇,4.儀表測量放大器：儀表放大器具有非常高的輸入阻抗以及高的共模抑制比，不存在電阻匹配問題。,儀表放大器AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu),54,運算放大器的選擇,5.電流反饋型放大器（CFA）特點：有很寬的帶寬，能達到GHz。（VFA最高頻率一般只能達到400MHz）缺點：輸入阻抗低，最大電壓擺低，性能不穩(wěn)定，對寄生電容敏感。,55,運算放大器的選擇,6.功率放大器（PA）：

25、當一個運放輸出一定電壓，并提供超過幾百毫安的驅(qū)動電流的時候，就要考慮使用PA。7.音頻放大器：特殊的功率放大器。,56,如何讓電路穩(wěn)定工作,自激振蕩：如果在放大器的輸入端不加輸入信號，輸出端仍有一定的幅值和頻率的輸出信號，這種現(xiàn)象叫做自激振蕩 。基本放大電路必須由多級放大電路構(gòu)成，以實現(xiàn)很高的開環(huán)放大倍數(shù)，然而在多級放大電路的級間加負反饋，信號的相位移動可能使負反饋放大電路工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生自激振蕩。負反饋放大電路產(chǎn)生自己振蕩的

26、根本原因是AF（環(huán)路放大倍數(shù)）附加相移。而這種相移主要是由寄生電容和負載電容引起的。,57,如何讓電路穩(wěn)定工作,相位補償技術(shù) ： 加入校正網(wǎng)絡(luò)，破壞自激條件。其基本思想是設(shè)法拉開開環(huán)增益函數(shù)第一個極點頻率和第二個極點頻率之間的頻率間隔。,58,如何讓電路穩(wěn)定工作,電容滯后補償,若 的幅頻特性在0dB以上只有一個轉(zhuǎn)折頻率（拐點），且下降斜率為–20dB/十倍頻，則屬于只有一個RC回路的頻率響應(yīng)，最大相移不超

27、過–90°。若在它的第二個轉(zhuǎn)折頻率（拐點）處對應(yīng)的 ，且此處的最大相移為–135° (有45°的相位裕度)，這樣的負反饋放大電路是穩(wěn)定的，因此電容滯后補償即按此思路進行。,59,如何讓電路穩(wěn)定工作,根據(jù)以上分析，可以實現(xiàn)的方法是將 減小。而實現(xiàn) 減小的方法就是在第一級放大之后加一個電容，即滯后補償。,60,如何讓電路穩(wěn)定工作,未加電容前：,加上電容后：,只要選擇